NO813966L - Dispersjonsforsterket aluminiumlegering - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører aluminiumlegeringer som er bearbeidet ved pulvermetallugiske metoder som kan benyttes til fremstilling av gjenstander som har gode mekaniske egenskaper ved høyere temperaturer, i det minste opp til 350°C.

Ifølge kjent teknikk er det gjort forsøk på å frembringe forbedrete aluminiumlegeringer ved pulvermetallurgiske metoder. Ved disse metoder er det benyttet høyere størkningshastigheter

i forhold til dem som vanligvis oppnås ved konvensjonell stø-ping. Men størkningshastighetene har ikke vært tilstrekkelig høye til å danne anvendbare, metastabile faser i det begrensede antall legeringsystemer som er blitt studert.

Følgende tidsskriftartikler behandler bearbeidelse av aluminiumlegeringer ved hurtig størkning: "Exchange of Experience and Information, Structures and Properties of Al-Cr and Al-Fe Alloys Prepared by the Atomization Technique", A.A. Bryukhovets, N.N. Barbashin, M.G. Ste-panova samt I.N. Fridlyander. Moskvas luftfartstekniske insti-tutt, oversatt fra "Poroshkovaya Metallurgiya, No. 1 (85), januar 1970, p. 108-111.

"On Aluminium Alloys with Refractory Elements, Obtained by Granulation", av V.I. Dobatkin og V.I. Elagin, Sov. J. Non-Ferrous Metals, august 1966, p. 89-93.

"Fast Freezing by Atomization for Aluminum Alloy Develop-ment" av W. Rostoker, R.P. Dudek, C. Freda og R.E. Russell. International Journal of Powder Metallurgy, p. 139-148.

US-patentskrifter 4.002.502, 4.127.426, 4.139.400 og 4.193.822 vedrører alle aluminiumlegeringer som inneholder jern som hovedlegeringsbestanddel. I US-patentskrift 4.127.426 er det også beskrevet hurtig størkning av en legering som inneholder opp til 5% jern.

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelse er å frem-stille gjenstander av aluminiumlegeringer, som har gode mekaniske egenskaper ved temperaturer på opp til minst 350°C.

Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe en klasse aluminiumlegeringer som kan bearbeides ved pulvermetallurgiske metoder til gjenstander med høy fasthet.

Enda et formål med oppfinnelsen er å frembringe en pulver-metallurgisk metode som kan benyttes for en klasse aluminiumlegeringer til fremstilling av gjenstander med meget gode mekaniske egenskaper ved høyere temperaturer.

Oppfinnelsen vedrører aluminiumlegeringer som er forsterket ved hjelp av utskilling. Utskillingsherdete aluminiumlegeringer er kjent. Typiske slike legeringer er de legeringer som er basert på aluminium-kobbersystemet (såsom 2024). I et slikt klassisk utskillingsherdingssystem dras det fordel av avtagende fast oppløselighet av et grunnstoff i et annet, slik at det kan oppnås en kontrollert utskilling ved varmebehandling. Når det gjelder aluminium-kobbersystemet muliggjør den avtagende faste oppløselighet av kobber og aluminium utvikling og styring av utskilte partikler basert på CuA^• Idet den faste oppløselighet for kobber og aluminium øker med tempera-turen, har slike materialer bare begrenset evne til å motstå påkjenninger ved høyere temperaturer på grunn av at den utskilte fase er tilbøyelig til å oppløse seg ved høyere temperaturer .

En annen klasse legeringer som er forsterket med partikler er de som er kjent som SAP-legeringer. Gjenstander av SAP-legeringer fremstilles ved pulvermetallurgiske metoder hvor aluminiumlegeringspulver oksyderes og deretter komprimeres og kaldbearbeides sterkt. Resultatet av denne behandling er utvikling av en struktur som inneholder findelte, atskilte partikler av aluminiumoksyd. Som følge av at aluminiumoksyd er stort sett uoppløselig i aluminium er denne klasse legeringer mer stabil ved høyere temperaturer enn utskillingslege-ringene som er dannet ved en ekte utskilling.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en klasse legeringer som i noen henseender kombinerer fordelene til begge typer materialer som er beskrevet ovenfor. Aluminiumlegeringene ifølge oppfinnelsen er forsterket ved hjelp av en utskilling basert på jern og ett eller flere tungtsmeltelige grunnstoffer. Både jern og de tungtsmeltelige grunnstoffer har en meget liten fast oppløselighet i aluminium og kan for de fleste praktiske formål sies å være uoppløselig i aluminium. Som en følge er utskilte partikler basert på jern og de tungtsmeltelige grunnstoffer nokså stabile i aluminium selv ved høyere temperaturer. Legeringene fremstilles ifølge en fremgangsmåte som omfatter hurtig størkning fra smeiten ved hastigheter som fortrinnsvis overskrider 10^°C pr. sekund. Denne høye størkningshastighet sikrer at de utskilte partikler, som dannes ved størkning fra smeiten, er findelte og jevnt dispergerte. Det korte tidsrom som er involvert i størkningen tillater ikke betydelig partik-kelvekst. Dersom størkningshastigheten er tilstrekkelig høy vil resultatet være dannelse av amorfe eller ikke-krystallinske områder som er rike på jern og de tungtsmeltelige grunnstoffer. Dette er et foretrukket resultat, idet disse amorfe områder

kan dekomponeres på styrt måte ved varmebehandling, hvorved det oppnås en meget findelt dispersjon av utskilte partikler.

Enhver kjølehastighet som overstiger ca. 10 5°C pr. sekund vil frembringe forbindelser av jern og tungtsmeltelig metall, som har en metastabil struktur som ikke er i likevekt. I det ekstreme tilfelle vil strukturen være amorf, mens det ved lavere avkjølingshastigheter vil oppstå en rekke forskjellige krystallinske utskillingsstrukturer som ikke er i likevekt.

Det antas at utskillingsstrukturene omformes gjennom disse forskjellige strukturer mot likevektsstrukturen under eksponering ved høyere temperaturer.

Aluminiumlegeringspulveret som dannes slik komprimeres til dannelse av en voluminøs gjenstand. Mange forskjellige komprimeringsmetoder kan benyttes så lenge legeringens temperatur ikke stiger vesentlig over ca. 350°C i et tidsrom av betydelig varighet.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser bruddfastheten som en funksjon av temperatur for atskillige konvensjonelle aluminium- og titanlegeringer samt en legering ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser den konvensjonelle flytegrense som en funksjon av temperatur for atskillige konvensjonelle aluminium-

og titanlegeringer og en legering ifølge oppfinnelsen.

Fig. 3 viser spenning-bruddegenskaper som en funksjon av temperatur for atskillige konvensjonelle aluminium- og titanlegeringer' samt en legering ifølge oppfinnelsen.

Fig. 4 viser et mikrofotografi av en legering ifølge oppfinnelsen etter eksponering ved en høyere temperatur.

Når det gjelder egenhetene ved oppfinnelsen er legeringene basert på aluminium og inneholder fra 5 til 15 vekt% jern og fra 1 til 5 vekt% av minst ett tungtsmeltelig metall valgt blant niob, zirkonium, hafnium, titan, molybden, krom, wolfram og vanadium og blandinger av disse. Fortrinnsvis foreligger det tungtsmeltelige metall i en mengde på fra 15 til 35% av jerninnholdet. Disse tungtsmeltelige grunnstoffer forbinder seg med jernet og danner en forsterkende utskillingsfase basert på Al^Fe, hvor det tungtsmeltelige metall delvis erstatter noe av jernet.

Det antas at oppfinnelsen i stor grad er en iakttagelse

av denne anvendbare forsterkende fase, og mange andre grunnstoffer vil kunne tilsettes til denne legering for forskjellige formål, såsom økt forsterkning av fast oppløsning og forbedret korrosjonsbestandighet uten materiell påvirkning av den for-sterkningseffekt som oppnås med utskillingen ifølge oppfinnelsen. Oppfinnelsen kan av den grunn grovt beskrives som en fast oppløsningsgrunnmasse av aluminium, som kan inneholde opp til 5 vekt% av et forsterkende grunnstoff for den faste oppløsning, hvorved det forsterkende grunnstoff også inneholder fra 5 til 30 volum% av en forsterkende utskilling basert på jern og minst ett av de ovennevnte tungtsmeltelige metaller. Disse forsterkende partikler har en gjennomsnittlig diameter på mindre enn 0,05 um, fortrinnsvis mindre enn 0,03 um, og har typisk en innbyrdes avstand på mindre enn 0,2 um.

En slik struktur kan så vidt en vet bare oppnås ved størk-ning ved høy hastighet. For å oppnå en slik struktur er det nødvendig å anbringe legeringen i en smeltet form med en betydelig grad av overhete og å størkne denne legering til partikkelform med en hastighet på over 10^°C pr. sekund. Dersom innhol-dene av jern og tungtsmeltelig metall økes vil det være nødven-dig med en høyere avkjølingshastighet for å oppnå samme struktur som ikke er i likevekt. Selv om der er kjent atskillige metoder som kan frembringe slike høye størkningshastigheter,

er disse metoder hovedsakelig egnet for laboratoriefremstilling av små kvanta materiale. Den metode som fortrinnsvis benyttes

til fremstilling av kommersielle kvanta av dette materiale er kjent som RSR-metoden. Ved denne metode anvendes det en horisontalt anordnet skive som roteres med en hastighet på 20.000-30.000 omdr./min., mens materialet som skal atomiseres helles på skiven. Den roterende skive kaster det væskeformete materialet av, hvoretter det avkjøles ved hjelp av stråler av heliumgass. Prosessen er beskrevet i US-patentskrifter 4.025.249, 4.053.264 og 4.078.873. Selv om dette er den foretrukne metode er avkjølingshastigheten det viktige, mer enn de trekk ved metoden som benyttes for å oppnå avkjølingshastig-heten. En annen fordel ved den foretrukne metode er renheten til pulveret som fremstilles. Aluminium er et reaktivt grunnstoff, og det er ønskelig at oksydasjon av pulveret minimali-seres eller unngås. Dette nødvendiggjør et rent prosessapparat, og den ovenfor beskrevne metode tilfredsstiller disse behov.

Etter at materialet er fremstilt i partikkelform, komprimeres materialet til dannelse av en gjenstand med anvendbare dimensjoner. Denne komprimering kan utføres under anvendelse av mange forskjellige fremgangsmåter som er kjent for fagfolk på metallurgiområdet. En nødvendig betingelse er imidlertid at materialet ikke utsettes for temperaturer vesentlig over 350°C i et tidsrom av vesentlig varighet. Eksponering for temperaturer på over ca. 350°C vil resultere i at de forsterkende utskilte partikler blir grovere og at de mekaniske egenskaper avtar i en uønsket grad. Komprimeringsmetoder som har vært benyttet med gunstig resultat omfatter ekstrudering ved temperaturer på ca. 300°C. En annen komprimeringsmetode som synes praktisk er dynamisk komprimering under anvendelse av en støt-bølge for å binde pulverpartiklene sammen uten å bevirke vesentlig temperaturøkning.

Som antydet ovenfor kan denne klasse legeringer oppvise en rekke utskillingsstrukturer som varierer fra amorf til like-vektkrystallstrukturen. Dersom det har vært benyttet særlig høye størkningshastigheter, slik at det foreligger en betydelig mengde av den amorfe fase, kan det være ønskelig med kontrollert omdannelse av denne fase til en annen mer stabil, krys-tallinsk fase før gjenstanden tas i bruk. Dette kan lettvint oppnås ved varmebehandling av den komprimerte gjenstand ved en temperatur på mellom 50 og 300°C i et tidsrom som er tilstrekkelig til å bevirke en ønsket omvandling.

De ovenfor beskrevne trekk ved den foreliggende oppfinnelse kan bli bedre forstått ved hjelp av figurene. Fig. 1,

2 og 3 viser de "mekaniske egenskaper for en spesiell sammen-setning bearbeidet ifølge oppfinnelsen, sammenliknet med atskillige eksisterende aluminiumlegeringer med høy fasthet og to vanlige titanlegeringer. Aluminiumlegeringenes sammenset-ning er vist i tabell 1 nedenfor.

Slike titan- og aluminiumlegeringer anvendes vanligvis når det er behov for høy fasthet og lav densitet. Titanlegeringer er generelt sterkere og bibeholder deres fasthet ved høyere temperaturer enn aluminiumlegeringene gjør. Men titan er mye kostbarere enn aluminium, og der er følgelig et stort behov for aluminiumlegeringer med høyere fasthet, særlig legeringer som kan bibeholde sin fasthet ved høyere temperaturer. Legeringene ifølge den foreliggende oppfinnelse fyller kløften i egenskaper mellom konvensjonelle aluminiumlegeringer og titanlegeringer .

For anvendelse i roterende maskiner hvor spenningene

som utøves på en komponent i stor utstrekning er resultatet av sentrifugalkraft som virker på komponenten, er det ikke så mye den absolutte fasthet som er av viktighet som forholdet mellom fasthet og densitet. Det er klart at en gjenstand med høy densitet vil generere høyere indre spenninger enn en tilsvarende gjenstand med lavere densitet. Titanlegeringer har noe høyere densitet enn aluminiumlegeringer. Hver av figurene 1, 2 og 3 inneholder en streket linje som representerer en teoretisk legering med fasthets/densitetsforholdet for en van-lig titan- legering (TI-6A1-4V) kombinert med densiteten for en typisk aluminiumlegering. Dersom det kunne utvikles en aluminiumlegering med like gode eller bedre egenskaper enn de som

er angitt med den strekete linje, ville en slik legering i mange henseender svare til titan ved anvendelser med høy ytel-se, særlig i roterende maskiner.'

Det ble fremstilt en legering ifølge oppfinnelsen, og

hos denne spesielle legering ble visse mekaniske egenskaper bestemt. Legeringen var en enkel legering som inneholdt 8 vekt% jern, 2 vekt% molybden mens resten var aluminium, og den ble fremstilt under anvendelse av den ovenfor beskrevne prosess med høy- størkningshastighet med en avkjølingshastighet på over 10 °C pr. sekund. Resultatet av denne avkjølingsprosess var et pulvermateriale som ble komprimert og varmekstrudert til dannelse av et materiale som det ble fremstilt testprøver av.

Fig. 1 viser bruddfastheten som en funksjon av tempera-turen for atskillige konvensjonelle aluminium- og titanlegeringer. Det er også vist en kurve som illustrerer egenskapene til den ovenfor beskrevne Al-8% Fe-2% Mo-legering, samt en streket linje som viser bruddfastheten for en teoretisk legering som har samme fasthets/densitetsforhold som Ti-6%A1-4%V

og aluminiums densitet. En aluminiumlegering med denne kombina-sjon av fasthet og densitet ville kunne direkte erstatte Ti-6A1-4V i roterende maskiner. Det kan sees at når det gjelder bruddfasthet ved høyere temperaturer er legeringen ifølge oppfinnelsen vesentlig bedre enn de konvensjonelle aluminiumlegeringer med høy fasthet. Fra temperaturer på 100°C og oppover er legeringen ifølge oppfinnelsen sterkere enn kjente aluminiumlegeringer. Ved høyere temperaturer, såsom 290°C, er bedringen for legeringen ifølge oppfinnelsen betydelig, idet den ster-keste konvensjonelle aluminiumlegering ved 290°C har en bruddfasthet på ca. 137,9 MPa, mens legeringen ifølge oppfinnelsen har dobbel så høy fasthet, 275,8 MPa. Som en sammenlikning ville den teoretiske aluminiumlegering med samme forhold mellom fasthet og densitet som titan ha en bruddfasthet på 413,7 MPa. Når det gjelder bruddfasthet som en funksjon av temperatur fyller legeringen således kløften mellom konvensjonelle aluminiumlegeringer og titanlegeringer.

Fig. 2 viser en tilsvarende sammenlikning mellom fasthet og temperatur, med unntagelse av at den viste fasthets-parameter er konvensjonell flytegrense (målt ved 0,2% varig forlengelse). Igjen er det vist kurver for konvensjonelle høyfasthets-aluminiumlegeringer og -titanlegeringer, og en streket linje viser den konvensjonelle flytegrense for en aluminiumlegering som har samme forhold mellom flytegrense og densitet som Ti-6A1-4V. Når det gjelder konvensjonell flytegrense er legeringen ifølge oppfinnelsen (Al-8Fe-2Mo) meget nær den teoretiske legering og er markert bedre enn de konvensjonelle høyfasthets-aluminiumlegeringer. Et vesentlig trekk som fremgår av fig. 2 er at de konvensjonelle høyfasthets-aluminiumlegeringer alle har et vesentlig fall i konvensjonell flytegrense i temperaturområdet fra ca. 125°C til ca. 250°C. Legeringen ifølge oppfinnelsen viser ikke et skarpt fall i konvensjonell flytegrense før en temperatur på opp imot 350°C. Dette er en økning på ca. 100°C i anvendbare driftstempera-turer, og dette er en vesentlig fordel for materialet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Den økte mykningstemperatur for legeringen ifølge oppfinnelsen er en indikasjon på større legering sst ab ili tet. Fig. 3 viser spenning-bruddegenskaper for forskjellige høyfasthets-aluminium- og titanlegeringer som en funksjon av temperatur. Igjen er egenskapene for en teoretisk aluminiumlegering med samme forhold mellom fasthet og densitet som Ti-. 6%A1-4%V vist. De viste kurver angir den spenning som er nødven-dig ved en gitt temperatur for å frembringe svikt i en prøve etter 1000 timers eksponering. Igjen viser legeringen ifølge oppfinnelsen seg å være bedre enn de konvensjonelle høyfasthets-aluminiumlegeringer.

Fig. 4 viser et transmisjonselektronmikrofotografi av

det ovenfor beskrevne aluminium-8Fe-2Mo-materiale etter eksponering ved 290°C.i 4 timer. Det vesentlige trekk som sees på mikrofotografiet er at utskillingsfasen er meget findelt selv etter eksponering ved temperaturer og tidsrom som ville bevirke betydelig mykning i alle konvensjonelle aluminiumlegeringer. Utskillingsstrukturen sees generelt å være av størrelsesorden 0,01[am i størrelse etter denne behandling.

Legeringene ifølge oppfinnelsen har også høyere elastisi-tetsmoduler enn de konvensjonelle aluminiumlegeringer. Elasti-sitetsmodulen står i forbindelse med legeringens stivhet, og høye modulverdier er ønskelige for anvendelser i konstruk-sjoner. Konvensjonelle aluminiumlegeringer har modulverdier på ca. 68950MPa, og konvensjonelle titanlegeringer har modulverdier på 96430-110320MPa. Den målte modulverdi for den ovenfor beskrevne Al-8% Fe-2%Mo-lege.ring er 85498MPa. Området for modulverdiene for legeringene ifølge oppfinnelsen vil være 82740-110320MPa.

Claims (7)

1. Gjenstand av en aluminiumlegering med høy fasthet, om-fattende en fast oppløsning av en aluminiumgrunnmasse som inneholder en dispersjon av forsterkende partikler, karakterisert ved at partiklene er basert på en forbindelse Al^ Fe hvori en del av Fe-innholdet er erstattet med et tungtsmeltelig grunnstoff valgt blant titan, zirkonium, hafnium, niob, molybden, wolfram, krom og vanadium samt blandinger av disse' , idet partiklene har en gjennomsnittlig stør-relse på mindre enn 0,05 um og en gjennomsnittlig innbyrdes avstand på mindre enn 0,2 um.

2. Gjenstand i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den gjennomsnittlige partikkelstørrelse er mindre enn 0,03 um.

3. Gjenstand i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den forsterkende fase foreligger i en mengde på fra 5 til 30 volum%.

4. Gjenstand i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det tungtsmeltelige grunnstoff er molybden.

5. Fremgangsmåte til fremstilling av en gjenstand av en aluminiumlegering med høy fasthet, karakterisert ved a) størkning av en aluminiumlegering som inneholder fra 5 til 15 vekt% jern og fra 1 til 5 vekt% av et tungtsmeltelig grunnstoff valgt blant titan, zirkonium, hafnium, niob, molybden, wolfram, krom, vanadium samt blandinger av disse, ved en hastighet på o over ca. 10 5°C/s til dannelse av et fast par-tikkelformet materiale, og b) fortetting av det partikkelformete materiale til en enhetlig masse ved en temperatur på under ca. 350°C.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at det tungtsmeltelige grunnstoff foreligger i en mengde på fra 15 til 35% av jerninnholdet.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at det tungtsmeltelige grunnstoff er molybden .